面向任务的全姿态飞行模拟器机构设计及控制方法研究

Since the limitation of posture range and overload capacity of flight simulator, this project aims at design a kind of parallel mechanisms that can perform all-attitude performance and high overload maneuverability, and propose the task oriented synthesis method and fundmental theory. Firstly, the parameters of degree of freedom, workspace, kinematics and dynamics are obtained through the calculation of flight dynamics. Secondly, the task-orientated method and multi-objective design theory are used to study the synthesis theory of mechanical structure of flight simulator and its kinematics and dynamics. This research will reveal the multi-source energy transfer principle and dynamic coordinated control method by using redundant actuations to achieve high overload performance. Next, the configuration modeling method and optimal wash-out theory are established by using the design method of choosing proper control algorithm and optimal design parameters, and the control theory of combing virtual protype and solving the kinematic equations. The proposed parallel mechanisms will possess all-attitude pitch, roll, and yaw, and 6-10G high overload performance. Finally, the design method and fundamentaltheory of novel fighter flight simulator will be proposed, which can be used to settle the theoretical foundation for China's fighter flight simulator.

本项目针对目前飞行模拟器姿态变化范围及过载能力受限的缺憾，设计可以提供全姿态运动特性及高过载机动能力的并联机构构型,研究面向操作任务的机构设计方法及基础理论。首先，通过飞行动力学解算提取机构的自由度特性、工作空间、运动学、动力学等设计参数；然后，应用基于面向操作任务的机构构型设计方法，进行多目标协同设计，研究模拟器机构本体系统的构型设计理论及其运动学和动力学，研究并揭示运用冗余驱动方式实现机构高过载性能的多源能量传递规律及其动态协调控制方法；其次，应用控制算法与机构最佳设计参数优化相互结合的研究方法，基于虚拟样机和运动学方程解算的联合控制方法，研究并建立构型建模方法及洗出算法优化理论。该机构可实现全姿态俯仰、横滚、偏转，同时具备实现6-10G的高过载能力。最终得出新型战斗机飞行模拟机构的设计方法及基础理论，为研制我国的战斗机飞行模拟器奠定理论基础。

本项目以增大飞行模拟器姿态变化范围和承载能力为目标，研究了基于并联机构的新型战斗机飞行模拟器机构设计及相应的控制理论和方法。项目针对飞行模拟器特定运动要求，提出了基于位置和姿态多维度表示法的构型设计方法和基于混联组合的构型设计方法，得到了系列构型。为了对模拟器工作空间进行全局表达与评价，提出了描述任务工作空间的包络方法和评价输出平台位姿的多维度表示方法。应用所提出的方法，项目设计分析了驱动冗余双层飞行模拟器机构、驱动冗余的球面并联运动模拟器机构和具有大姿态角的二级混联运动模拟机构等多种典型模拟器构型。针对新型飞行模拟器机构，项目组搭建制作了运动模拟器样机并进行了运动验证。基于冗余运动模拟样机、真实飞行数据和虚拟样机模型，进行了起飞和俯仰动作试验。项目设计完成了主从操作手，以典型飞行运动模拟器从操作系统为研究对象，研究了实现主操作手的反馈控制方法。基于搭建的主从飞行运动模拟系统，提出了系统的控制策略，完成了主从系统控制软件。最后，项目运用MATLAB与FlightGear建立了联合仿真系统，对飞行模拟器进行了联合仿真，完成了真实飞行动作及视景再现。项目提出的新型战斗机飞行模拟机构的设计方法及基础理论，为研制我国的战斗机飞行模拟器奠定了良好的理论基础。